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JP7248454B2 - レーダ装置および補正値算出方法 - Google Patents

レーダ装置および補正値算出方法 Download PDF

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Description

本発明は、レーダ装置および補正値算出方法に関する。
従来、例えば、レーダ装置などにおいて、物標によって反射した送信波の反射波の位相差に基づいて反射波の到来方向を推定する技術がある。この種の技術では、受信信号から各アンテナ素子間の電磁結合成分を信号処理によって補正したのちに方位演算が行われる（例えば、特許文献１参照）。
特開２０１６－００３６４９号公報
しかしながら、従来技術では、受信信号に対する補正効果を十分に得ることができず、方位演算の精度を向上させるうえで改善の余地があった。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、方位演算の精度を向上させることができるレーダ装置および補正値算出方法を提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、実施形態に係るレーダ装置は、受信部と、算出部とを備える。前記受信部は、アンテナ素子で構成された複数の受信アンテナを有し、到来方向が既知の受信波を受信する。前記算出部は、前記受信部によって受信された前記受信波の受信信号に基づいて、前記アンテナ素子に対する方位に依存し、前記受信信号に含まれる誤差成分を補正する補正値を算出する。
本発明によれば、方位演算の精度を向上させることができる。
図１は、レーダ装置の搭載例を示す図である。 図２は、レーダ装置のブロック図である。 図３は、既知波源の一例を示す図である。 図４Ａは、補正後の受信信号の利得差を示す図である。 図４Ｂは、補正後の受信信号の位相差を示す図である。 図５は、レーダ装置が実行する処理手順を示すフローチャート（その１）である。 図６は、レーダ装置が実行する処理手順を示すフローチャート（その１）である。 図７は、外部端末の一例を示す図である。
以下、添付図面を参照して、実施形態に係るレーダ装置および補正値算出方法について説明する。なお、以下に示す実施形態によりこの発明が限定されるものではない。なお、以下では、レーダ装置がＦＭ－ＣＷ（Frequency Modulated Continuous Wave）方式である場合を例に挙げて説明するが、レーダ装置は、ＦＣＭ（Fast-Chirp Modulation）方式であってもよい。
まず、図１を用いて実施形態に係るレーダ装置および補正値算出方法の概要について説明する。図１は、レーダ装置の搭載例を示す図である。図１では、実施形態に係るレーダ装置１を搭載した自車両ＭＣと、自車両ＭＣの前方に位置する他車両ＬＣとを示している。
図１に示すように、レーダ装置１は、例えば自車両ＭＣのフロントグリル内等に搭載され、自車両ＭＣの進行方向に存在する物標（例えば、他車両ＬＣ等）を検出する。なお、レーダ装置１の搭載箇所は、例えばフロントガラスやリアグリル、左右の側部（例えば、左右のドアミラー）等他の箇所に搭載されてもよい。
また、図１に示すように、レーダ装置１は、自車両ＭＣの周囲に送信した電波が他車両ＬＣで反射した反射波に基づいて物標に対応する物標データ１００を生成する。この物標データ１００には、自車両ＭＣへの相対速度や、他車両ＬＣまでの距離、自車両ＭＣに対する他車両ＬＣの方位といった情報が含まれる。
レーダ装置１は、アレイアンテナ等の複数のアンテナ素子で受信した受信波に基づく受信信号に対して、例えば、ＭＵＳＩＣ（Multiple Signal Classification）法などの方位演算アルゴリズムを用いることで他車両ＬＣの方位を算出する。
ところで、一般的に、各アンテナ素子の特性のバラつきによる利得誤差、位相誤差や、受信アンテナの各チャネル間で生じる素子間相互結合などに基づく誤差が発生する。これらの誤差は、結果として方位演算の推定精度の劣化をもたらす。
このため、一般的に、レーダ装置では、上記の誤差を含む受信信号を理想的な受信信号である理想信号へ補正する補正処理が行われる。この補正処理においては、例えば、製品出荷前などに予め算出した補正値を記憶しておき、受信信号に作用させることで行われる。
ここで、従来の補正値について説明する。従来の補正値は、複数の既知波源のアンテナ素子から見た方向は、＋２０°、＋１０°、０°、－１０°、－２０°のように例えば、１５点の既知波源を設定する。
アンテナ番号ｎ＝１、２、・・・Ｎ、既知波源の方位θ＝θ１、θ２、・・・θＭとし、アンテナｎで受信した方位θの受信信号ｓｎθ、アンテナｎにおいて方位θにおける理想的な受信信号である理想信号ａｎθとした場合に、受信信号行列Ｓおよび理想信号の行列Ａは式（１）、式（２）でそれぞれ表される。
Figure 0007248454000001
Figure 0007248454000002
このとき、補正値Ｈは、受信信号行列Ｓの疑似逆行列Ｓ＋を用いて、Ｈ＝Ａ・Ｓ＋と表すことができる。なお、受信信号行列Ｓ＝Ｃ・Γ・Ａから求めることができ、ここで、Ｃは素子間相互結合を表す行列、Γは受信アンテナのチャネル間の位相差、振幅差を表す行列である。なお、Ｍ＝Ｎとなる場合は、疑似逆行列は通常の逆行列となる。
そして、受信信号ｓ＝（ｓθ１，ｓθ２、・・・ｓθＭ）Ｔを補正する場合に、補正値Ｈを受信信号ｓに乗算し、補正後の受信信号ｓ´は、ｓ´＝Ｈ・ｓとなる。
ここで、上記の補正値Ｈは、例えば、受信アンテナが方位毎の振幅特性の差が比較的小さいダイポールアンテナである場合には有効であるが、受信アンテナに方位毎の振幅特性の差が比較的大きい平面アンテナなどを用いる場合、補正効果が十分に得られない場合がある。
これは、本来補正すべき素子間電磁結合などに起因する誤差成分に加え、受信アンテナのビームパターンの方位ごとの振幅特性の差まで補正してしますことに起因する。
このため、平面アンテナの場合には、ポールアンテナの場合に比べて、実際の受信信号と理想信号との乖離が大きく、従来の補正処理では十分な補正効果が得られなかった。より詳細には、従来の補正処理では、受信信号を理想信号に近づける補正が主となり、各受信アンテナ間の誤差を補正するに至らない場合があった。
そこで、実施形態に係る補正値算出方法では、ビームパターンに起因する誤差成分を実際の受信信号から取り除く補正値を算出することとした。例えば、実施形態に係る補正値算出方法では、上記した受信信号行列Ｓにおける各列の平均振幅で受信信号行列Ｓを正規化した補正値Ｈを算出する。
すなわち、受信信号ｓを補正値Ｈで補正することで、補正後の受信信号ｓ´においては、ビームパターンに基づく誤差成分を取り除くことができる。すなわち、アレイアンテナで得られる受信信号ｓを等方アンテナで得られる理想的な理想信号へ仮想的に近づけることができる。
これにより、実施形態に係る補正値算出方法によれば、方位演算の精度を向上させることができる。また、実施形態に係る補正値算出方法では、受信信号ｓの振幅を考慮しない補正値Ｈを算出することも可能である。この場合、補正値Ｈを受信信号ｓに作用させることで、受信信号ｓの位相差のみを補正することもできる。なお、本実施形態に係る補正値の詳細については後述する。
次に、図２を参照して、実施形態に係るレーダ装置１の構成について詳細に説明する。図２は、実施形態に係るレーダ装置１の構成を示すブロック図である。なお、図２では、本実施形態の特徴を説明するために必要な構成要素のみを機能ブロックで表しており、一般的な構成要素についての記載を省略している。
図２に示すように、レーダ装置１は、送信部１０と、受信部２０と、処理部３０とを備える。レーダ装置１は、自車両ＭＣの挙動を制御する車両制御装置２に接続される。
かかる車両制御装置２は、レーダ装置１による物標の検出結果に基づいて、ＰＣＳ（Pre-crash Safety System）やＡＥＢ(Advanced Emergency Braking System)などの車両制御を行う。
送信部１０は、信号生成部１１と、発振器１２と、送信アンテナ１３とを備える。信号生成部１１は、後述する送受信制御部３１の制御により、三角波などで周波数変調されたミリ波を送信するための変調信号を生成する。発振器１２は、かかる信号生成部１１によって生成された変調信号に基づいて送信信号を生成し、送信アンテナ１３へ出力する。なお、図２に示すように、発振器１２によって生成された送信信号は、後述するミキサ２２に対しても分配される。
送信アンテナ１３は、発振器１２からの送信信号を送信波へ変換し、かかる送信波を自車両ＭＣの外部へ出力する。送信アンテナ１３が出力する送信波は、三角波などで周波数変調された連続波である。送信アンテナ１３から自車両ＭＣの外部、たとえば前方へ送信された送信波は、他車両ＬＣ等の物標で反射されて反射波となる。なお、図２に示す送信アンテナ１３の数は、１つであるが、ＭＩＭＯ（Multiple Input Multiple Output）動作などのために２つ以上としてもよい。
受信部２０は、アレーアンテナを形成する複数の受信アンテナ２１と、複数のミキサ２２と、複数のＡ／Ｄ変換部２３とを備える。ミキサ２２およびＡ／Ｄ変換部２３は、受信アンテナ２１ごとに設けられる。
各受信アンテナ２１は、物標からの反射波を受信波として受信し、かかる受信波を受信信号へ変換してミキサ２２へ出力する。なお、図２に示す受信アンテナ２１の数は３つであるが、２つ以下または４つ以上であってもよい。
受信アンテナ２１から出力された受信信号は、図示略の増幅器（たとえば、ローノイズアンプ）で増幅された後にミキサ２２へ入力される。ミキサ２２は、分配された送信信号と、受信アンテナ２１から入力される受信信号との一部をミキシングし不要な信号成分を除去してビート信号を生成し、Ａ／Ｄ変換部２３へ出力する。
ビート信号は、送信波と反射波との差分波であって、送信信号の周波数（以下、「送信周波数」と記載する）と受信信号の周波数（以下、「受信周波数」と記載する）との差となるビート周波数を有する。ミキサ２２で生成されたビート信号は、Ａ／Ｄ変換部２３でデジタル信号に変換された後に、処理部３０へ出力される。
処理部３０は、送受信制御部３１と、信号処理部３２と、記憶部３８とを備える。信号処理部３２は、ＦＦＴ処理部３３と、ピーク抽出部３４と、補正部３５と、方位演算部３６と、算出部３７とを備える。
記憶部３８は、上記の補正値Ｈに関する情報や、信号処理部３２が実行する一連の信号処理における履歴を含む情報を記憶する。
処理部３０は、たとえば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、記憶部３８に対応するＲＯＭ（Read Only Memory）やＲＡＭ（Random Access Memory）、レジスタ、その他の入出力ポートなどを含むマイクロコンピュータであり、レーダ装置１全体を制御する。
かかるマイクロコンピュータのＣＰＵがＲＯＭに記憶されたプログラムを読み出して実行することによって、送受信制御部３１および信号処理部３２として機能する。なお、送受信制御部３１および信号処理部３２は全部をＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）やＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）などのハードウェアで構成することもできる。
送受信制御部３１は、信号生成部１１を含む送信部１０、および、受信部２０を制御する。信号処理部３２は、一連の信号処理を周期的に実行する。
ＦＦＴ処理部３３は、各Ａ／Ｄ変換部２３から入力されるビート信号に対して高速フーリエ変換（ＦＦＴ：Fast Fourier Transform）処理（以下、「ＦＦＴ処理」と記載する）を行う。かかるＦＦＴ処理の結果は、ビート信号の周波数スペクトルであり、ビート信号の周波数ごと（周波数分解能に応じた周波数間隔で設定された周波数ビンごと）のパワー値（信号レベル）である。
ピーク抽出部３４は、ＦＦＴ処理の結果においてピークとなるピーク周波数を抽出する。なお、ピーク抽出処理では、ビート信号の「ＵＰ区間」および「ＤＮ区間」のそれぞれについてピーク周波数を抽出する。このピーク周波数に基づいて、物標までの距離が求まる。また、各受信チャネルのピーク信号が各物標の方位を算出するための受信信号ｓとなる。
補正部３５は、ピーク抽出部３４によって抽出されたピーク周波数を後述する算出部３７によって算出された補正値Ｈに基づいて補正する。補正部３５は、記憶部３８から補正値Ｈに関する情報を読み出し、受信信号ｓに対して乗算することで、受信信号ｓを補正する。
これにより、受信信号ｓに含まれる受信アンテナ間の誤差成分が補正された受信信号ｓ´を得ることができる。これにより、方位演算部３６による方位演算処理の演算精度を向上させることが可能となる。
方位演算部３６は、補正部３５によって補正された受信信号ｓ´に基づいてピーク抽出部３４によって抽出された各ピーク周波数のそれぞれについて方位演算する角度推定処理を行い、ピーク周波数ごとに対応する物標の存在を解析する。
なお、方位演算は、例えば、ＭＵＳＩＣ、ＤＢＦ（Digital Beam Forming）、Ｃａｐｏｎ、ＥＳＰＲＩＴ（Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques）、ビームフォーマ法などの公知の到来方向推定手法を用いて行うことができる。
続いて、算出部３７の処理について説明する。算出部３７は、受信部２０によって受信された到来方向が既知の受信波に基づく受信信号に基づいてアンテナ素子のビーム形状の方位に依存し、受信信号に含まれる誤差成分を補正する補正値Ｈを算出する。なお、算出部３７は、例えば、レーダ装置１の出荷前において、補正値Ｈを算出する。
算出部３７が補正値Ｈを算出するに当たり、受信部２０は、到来方向が既知の既知波源から電磁波を受信する。図３は、既知波源の一例を示す図である。例えば、図３に示すように、レーダ装置１は、自車両ＭＣが回転テーブルＴｒに乗った状態で、既知波源Ｗｓから電磁波を受信する。
例えば、回転テーブルＴｒを所定角度ずつ回転させていき、受信部２０が既知波源Ｗｓから送信される電磁波を受信することで、到来方向が所定角度刻みの既知の受信信号を得ることができる。
なお、到来方向は、レーダ装置１の正面を基準として、左右方向にそれぞれ１０°刻みで計１５点であるが、要求される角度の推定精度に応じて、１５点未満であってもよく、１６点以上であってもよい。
算出部３７は、到来方向毎に各受信アンテナ２１で得られる受信信号に基づいて受信信号行列Ｓを算出する。ここで、アンテナ番号ｎ＝１、２、・・・Ｎ、既知波源の方位θ＝θ１、θ２、・・・θＭとし、アンテナｎで受信した方位θの受信信号ｓｎθ、とすると、受信信号行列Ｓは、下記式（３）で表される。
Figure 0007248454000003
式（３）において、各列における分母は、列ごとの受信信号Ｓの平均値の絶対値である。すなわち、式（３）においては、受信信号Ｓを列ごとに平均振幅で正規化したものとなる。
これにより、到来方向が未知である実際の受信信号Ｓに補正値Ｈ（Ｈ＝Ａ・Ｓ＋）を作用させることで、各受信アンテナ２１の素子間電磁結合などによるチャネル間の誤差のみを補正することができる。
また、算出部３７は、式（３）に代えて、受信信号行列Ｓを式（４）として算出することにしてもよい。
Figure 0007248454000004
式（４）においては、各構成要素の分子および分母が共に同じであるため、受信信号行列Ｓにおける各成分の利得が「１」となる。つまり、受信信号行列Ｓに式（４）を用い、補正値Ｈを用いて、受信信号ｓを補正する場合、チャネル間の利得差がは補正せず、位相差のみを補正することができる。この場合であっても、方位演算の精度を向上させることが可能である。
次に、図４Ａおよび図４Ｂを用いて、補正後の受信信号について説明する。図４Ａは、補正後の受信信号の利得差を示す図である。図４Ｂは、補正後の受信信号の位相差を示す図である。なお、以下では、式（３）を用いて、受信信号を補正した場合を示す。
図４Ａでは、各受信アンテナ２１をｃｈ１～ｃｈ３とし、ｃｈ１の受信信号と、ｃｈ２およびｃｈ３との受信信号の利得差をそれぞれ示す。また、比較結果として、図４Ａの左図には、従来の補正方法（式（１）参照）により補正した受信信号を示す。
図４Ａの左図に示すように、従来の補正方法では、各チャネル間で受信信号の利得差が大きいのに対して、本実施形態に係る補正値Ｈを用いて受信信号を補正すると、図４Ａの右図に示すように、チャネル間での受信信号の利得差が小さいことが分かる。
また、図４Ｂの左図に示すように、従来の補正方法では、チャネル間での位相差の誤差が大きいのに対して、本実施形態に係る補正値Ｈを用いて受信信号を補正した場合、図４Ｂ右図に示すように、チャネル間で位相差の誤差が小さいことが分かる。
つまり、本実施形態では、従来に比べて、各チャネルで受信した受信信号を理想信号へ近づけることが可能となるので、従来の補正処理を用いた場合に比べて、方位演算の精度を向上させることが可能となる。
次に、図５および図６を用いて、実施形態に係るレーダ装置１が実行する処理手順について説明する。図５および図６は、レーダ装置１が実行する処理手順を示すフローチャートである。
まず、図５を用いて、補正値Ｈの算出処理について説明する。図５に示すように、レーダ装置１は、複数の既知波源から受信波を受信すると（ステップＳ１０１）、受信波に基づく受信信号に基づいて補正値Ｈを算出する（ステップＳ１０２）。
続いて、レーダ装置１は、ステップＳ１０２にて、算出した補正値Ｈを記憶して（ステップＳ１０３）、処理を終了する。
次に、図６を用いて、レーダ装置１が実環境において実行する処理手順について説明する。図６に示すように、まず、レーダ装置１は、受信波を受信すると（ステップＳ１１１）、ＦＦＴ処理を行う（ステップＳ１１２）。
続いて、レーダ装置１は、ＦＦＴ処理の結果に基づき、ピーク抽出処理を行い（ステップＳ１１３）、受信信号を補正する補正処理を行う（ステップＳ１１４）。その後、レーダ装置１は、補正された受信信号を用いて方位演算処理を行い（ステップＳ１１５）、処理を終了する。
上述したように、実施形態に係るレーダ装置１は、受信部２０と、算出部３７とを備える。受信部２０は、アンテナ素子で構成された複数の受信アンテナ２１を有し、到来方向が既知の受信波を受信する。算出部３７は、受信部２０によって受信された受信波の受信信号に基づいて、アンテナ素子の方位に依存し、受信信号に含まれる誤差成分を補正する補正値Ｈを算出する。したがって、実施形態に係るレーダ装置１によれば、方位演算の精度を向上させることができる。
ところで、上述した実施形態では、レーダ装置１で補正値Ｈを算出する場合について説明したが、これに限定されるものではない。補正値Ｈの算出をレーダ装置１の外部端末で行うことにしてもよい。
図７は、外部端末の一例を示す図である。図７に示すように、外部端末５０は、ノートＰＣなどの情報処理装置である。例えば、外部端末５０は、レーダ装置１と通信ケーブル（不図示）を介して相互に通信することができる。
この場合、例えば、外部端末５０は、レーダ装置１から既知波源に基づく受信信号を取得すると（ステップＳ２１）、受信信号に基づいて補正値Ｈを算出する（ステップＳ２２）。
そして、外部端末５０は、レーダ装置１に対して、ステップＳ２２にて算出した補正値Ｈを出力する（ステップＳ２３）。これにより、レーダ装置１は、外部端末５０によって算出された補正値Ｈを記憶部３８に記憶する。
このように、外部端末５０で補正値Ｈの算出を行う場合、補正値Ｈを算出するソフトウェアを外部端末５０に入れておけばよく、各レーダ装置１には不要となる。したがって、各レーダ装置１に入れておくソフトウェアを削減することができる。
ところで、上述した実施形態では、受信信号行列Ｓを平均振幅で正規化する場合、および、各成分を「１」とする場合について説明したが、これに限定されるものではない。すなわち、理想信号を示す行列Ａに同様の補正を行うことにしてもよい。
すなわち、最終的に得られる補正値Ｈが同じになるならば、受信信号行列Ｓおよび理想信号の行列Ａのどちらを補正することにしてもよい。
また、上述した実施形態では、レーダ装置１に対して、既知波源が平面方向に所定数ある場合について説明したが、既知波源は、レーダ装置１に対して上下方向であってもよい。この場合、補正値Ｈにより上下方向の方位演算の精度を向上させることができる。
また、本実施形態に係る補正値算出方法は、レーダ装置１に限られず、非等方アンテナを有する全てのアンテナに対して適用することにしてもよい。また、レーダ装置１は、車両に限定されず、その他に設置されることにしてもよい。
さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。このため、本発明のより広範な様態は、以上のように表しかつ記述した特定の詳細および代表的な実施形態に限定されるものではない。したがって、添付の特許請求の範囲および、その均等物によって定義される統括的な発明の概念の精神または範囲から逸脱することなく、様々な変化が可能である。
１ レーダ装置
２ 車両制御装置
１０ 送信部
１１ 信号生成部
２０ 受信部
２１ 受信アンテナ
３３ ＦＦＴ処理部
３４ ピーク抽出部
３５ 補正部
３６ 方位演算部
３７ 算出部
Ａ 行列
Ｈ 補正値
Ｓ 受信信号行列

Claims (4)

  1. アンテナ素子で構成された複数の受信アンテナを有し、到来方向が既知の受信波を受信する受信部と、
    前記受信部によって受信された前記受信波の受信信号に基づいて前記アンテナ素子の方位に依存し、前記受信信号に含まれ、前記受信波の前記到来方向の推定に係る誤差成分を補正する補正値を算出する算出部と
    を備え、
    前記算出部は、
    前記到来方向毎の各受信アンテナの前記受信信号を示す受信信号行列の疑似逆行列と、理想的な受信信号を示す行列との内積を前記補正値として算出し、前記到来方向ごとの前記受信信号の平均振幅で正規化した前記受信信号行列を算出すること
    を特徴とするレーダ装置。
  2. アンテナ素子で構成された複数の受信アンテナを有し、到来方向が既知の受信波を受信する受信部と、
    前記受信部によって受信された前記受信波の受信信号に基づいて前記アンテナ素子の方位に依存し、前記受信信号に含まれ、前記受信波の前記到来方向の推定に係る誤差成分を補正する補正値を算出する算出部と
    を備え、
    前記算出部は、
    前記到来方向毎に各受信アンテナの前記受信信号を示す受信信号行列の疑似逆行列と、理想的な受信信号を示す行列との積を前記補正値として算出し、各成分の利得を全て１とする前記受信信号行列を算出すること
    を特徴とするレーダ装置。
  3. アンテナ素子で構成された複数の受信アンテナを有し、到来方向が既知の受信波を受信する受信工程と、
    前記受信工程によって受信された前記受信波に基づく受信信号に基づいて前記アンテナ素子の方位に依存し、前記受信信号に含まれ、前記受信波の前記到来方向の推定に係る誤差成分を補正する補正値を算出する算出工程と
    を含み、
    前記算出工程は、
    前記到来方向毎の各受信アンテナの前記受信信号を示す受信信号行列の疑似逆行列と、理想的な受信信号を示す行列との内積を前記補正値として算出し、前記到来方向ごとの前記受信信号の平均振幅で正規化した前記受信信号行列を算出すること
    を特徴とする補正値算出方法。
  4. アンテナ素子で構成された複数の受信アンテナを有し、到来方向が既知の受信波を受信する受信工程と、
    前記受信工程によって受信された前記受信波に基づく受信信号に基づいて前記アンテナ素子の方位に依存し、前記受信信号に含まれ、前記受信波の前記到来方向の推定に係る誤差成分を補正する補正値を算出する算出工程と
    を含み、
    前記算出工程は、
    前記到来方向毎に各受信アンテナの前記受信信号を示す受信信号行列の疑似逆行列と、理想的な受信信号を示す行列との積を前記補正値として算出し、各成分の利得を全て１とする前記受信信号行列を算出すること
    を特徴とする補正値算出方法。
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